近紅外光譜儀器的研究與進(jìn)展

近紅外光譜技術(shù)(Near Infrared Spectroscopy Technology，NIST)是指一種利用物質(zhì)對(duì)光的吸收、散射、反射和透射等特性來(lái)確定其成分含量的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有快速、非破壞性、無(wú)試劑分析且安全、高效，能夠同時(shí)測(cè)定多種組分等優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

在研制近紅外光譜儀的過(guò)程中，如何提高信噪比、波長(zhǎng)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等，是設(shè)備研發(fā)的重點(diǎn)。首先，就提高信噪比而言，研究人員和用戶常常將其放在特別突出的位置。那么，信噪比是什么？又為何如此重要呢？信噪比，又稱訊噪比，指的是儀器中信號(hào)與噪聲的比例。對(duì)近紅外光譜分析來(lái)說(shuō)，由于儀器本身是基于吸收物含量變化引起光譜吸光度的微小浮動(dòng)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)分析的，信噪比在其中起著舉足輕重的作用。舉例來(lái)說(shuō)，食物中的蛋白質(zhì)，當(dāng)含量變化小于1%時(shí)，在最強(qiáng)的吸收波長(zhǎng)處，吸光度只變化0.002。而分析復(fù)雜樣品時(shí)，往往要對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行各種數(shù)學(xué)處理，就需要在高吸光度的水平下做運(yùn)算，這時(shí)儀器信噪比的重要性也就凸顯出來(lái)了。吸光度重復(fù)性對(duì)近紅外檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)至關(guān)重要的指標(biāo)，它直接影響模型建立的質(zhì)量和測(cè)量的準(zhǔn)確性，普遍要求吸光度重復(fù)性優(yōu)于0.0004A。因此，為了有效的提高產(chǎn)品的信噪比，一般會(huì)從接收器、適當(dāng)增大光譜寬帶和采用單位面積發(fā)光效率更高的鎢燈光源三個(gè)方面入手。

此外，波長(zhǎng)準(zhǔn)確性和重復(fù)性也是近紅外光譜儀研究的重點(diǎn)。為了保證儀器間校正模型的有效傳遞，通常要求在長(zhǎng)波近紅外范圍的波長(zhǎng)準(zhǔn)確性應(yīng)優(yōu)于1.0nm，在短波近紅外范圍的準(zhǔn)確性應(yīng)高于0.5nm。實(shí)現(xiàn)高波長(zhǎng)重復(fù)性跟掃描速度也有一定關(guān)聯(lián)，近紅外的掃描速度還要大于紫外可見(jiàn)光度計(jì)掃描速度幾十倍以上。要想切實(shí)有效的提高波長(zhǎng)準(zhǔn)確性和重復(fù)性，可以從解決光柵的精準(zhǔn)定位、注意不同材料之間的熱膨脹系數(shù)等方面入手。

穩(wěn)定性對(duì)所有分析儀器都不可或缺，近紅外光譜儀自然也不例外。目前近紅外光譜基本都是單光束類型，光源的波動(dòng)，接收器溫度的漂移均直接體現(xiàn)在光譜數(shù)據(jù)上。而雙光束的光學(xué)設(shè)計(jì)將有效消除光源、接收器等器件產(chǎn)生的漂移，大幅度提高儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

在測(cè)樣附件的要求上，針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象，相同形勢(shì)的測(cè)樣附件設(shè)計(jì)也不盡相同。如用于漫反射光譜采集的附件有積分球、光桿探頭等。在吸光度上，對(duì)于同一臺(tái)近紅外光譜儀而言，波長(zhǎng)準(zhǔn)確性和吸光度準(zhǔn)確性的保證有利于建立優(yōu)秀的校正模型。影響吸光度線性范圍的儀器因素主要是檢測(cè)器，此外，噪聲和雜散光也有一定的影響。最后，由于檢測(cè)環(huán)境一般都是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，而非實(shí)驗(yàn)室，儀器需要一定的防護(hù)等級(jí)，關(guān)鍵部件要密封且具有防灰塵、耐高溫等要求。

近紅外光譜技術(shù)能夠用于多種形態(tài)樣本的測(cè)量，除氣體、液體外，還有固體、半固體，這是這種特性使其具有了超越傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并在很大程度上節(jié)約了檢測(cè)成本，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。與此同時(shí)我們不能忽略的是，盡管近紅外光譜技術(shù)近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但也存在信噪比低、痕量分析不適用等缺陷。要想實(shí)現(xiàn)近紅外光譜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，還需要科研人員勠力同心，共同進(jìn)步。